（材料物理与化学专业论文）磷铝吸杂及hit晶硅太阳电池高转换效率机理研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 磷铝吸杂及h i t 晶硅太阳电池高转换效率机理研究 摘要 太阳能的应用是解决能源与环境问题的有效途径。h i f l m 太阳电池虽然诞生的时间不 长，但是凭借其廉价高效的巨大优势迅速抢占国际光伏市场，成为目前太阳电池研发及应 用领域中最耀眼的一颗新星；多晶硅太阳电池也是未来最有发展潜力的太阳电池之一。 本研究工作目标是实现高效非晶硅晶体硅异质结太阳电池的制备和提高多晶硅太阳 电池的效率以及降低生产成本。论文的主要研究内容如下： 首先，采用等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 在p 型单晶硅衬底上制各本征非晶 硅和n 型非晶硅薄膜，利用射频磁控溅射在n 型非晶硅窗口层上制备透明导电膜构造非晶 硅晶体硅异质结( h i t ) 太阳电池。采用光谱响应和i v 测试手段对所制备的非晶硅晶体硅 异质结太阳电池进行测试和分析，发现不同的t c o ( 1 t o 和z n o ：a i ) 对h i t 太阳电池的 光电特性有很明显的影响。利用x 射线衍射( ) 、透射谱、反射谱、四探针等手段对 透明导电薄膜进行深入的研究。真空退火能极大的改善i t o 薄膜的电学和光学性能，经 过不同温度的真空退火后，得到电阻率为2 1 8 1 0 q q c m 、晶粒尺寸增大且趋于有序，透 过率为9 0 以上的优质i t o 透明导电膜，很好的改善了非晶硅晶体硅异质结太阳电池的 短路电流和效率。 其次，研究磷铝吸杂对于晶体硅的影响并在此基础上制备晶体硅太阳电池。测量经磷 扩散吸杂，铝吸杂，磷铝联合吸杂( x 2 面蒸铝) 后硅片少子寿命的变化和间隙氧含量的变化， 发现浓磷扩散吸杂，铝吸杂，磷铝联合吸杂( 双面蒸铝) 对于硅片的少数载流子寿命都有提 高，其中磷铝联合吸杂对少数载流子寿命提高最大。同时，采用吸杂后的多晶硅片制各 l 1 c m 2 的太阳电池，与未吸杂的多晶硅太阳电池相比，研究多晶硅电池的电学特性变化。 关键词：光电转换效率，异质结，铟锡氧化物，电阻率，退火，吸杂 壁塑丝量丝坚! ! 量堡奎型! ! 垫堕竺堡丝兰! ! 型型墼 r e s e a r c ho np h o s p h o r o u s ，a l u m i n u mg e t t e r i n g a n dh e t e r o j u n c t l o ns o l a rc e l l s a b s t r a c t t h ew i d eu s eo fs o l a rc e l l sw i l lb eaf e a s i b l ew a yt os o l v et h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o np r o b l e m s t h ed e v e l o p m e n to f s o l a rc e l l ss h o w sat e n d e n c yt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n d r e d u c ec o s t a m o r p h o u ss i l i c o n c r y s t a l l i n es i l i c o nh e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l sa n dc r y s t a ls i l i c o n s o l a rc e l l sa r ec o n s i d e r e da st h en l o s tp r o m i s i n gc e l l si nt h ef u t t l r ef o rt h e i ra d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g he f f i c i e n c y ，g r e a ts t a b i l i t y , s i m p l ep r o c e s s i n g ，a n dn o n e p o l l u t i o n t h i sw o r ki st oa c h i e v et h eh i g he m e i e n th e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l sa n di m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o s to fc r y s t a ls i l i c o ns o l a rc e l l s t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t l y ，i n t r i n s i c a n d n - t y p ea m o r p h o u s s i l i c o nf i l m sa r e d e p o s i t e d o nt h e p - t y p e m o n o c r y s t a ls i l i c o nb yp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) a n di n d i u mt i n o x i d ef i l mi sd e p o s i t e do nn t y p ea m o r p h o u ss i l i c o nb yr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n gt or e a l i z et h e a s i e - s ih e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l s i - vt e s ta n ds p e c t r a lr e s p o n s em e a s u r e m e n ta r eu s e dt o a n a l y z et h ec h a r a c t e r i z a t i o no fs o l a rc e l l s t h ec h a r a c t e r i z a t i o no fi t ot h i nf i l m si ss t u d i e db y x r d ，t r a n s m i t t a n c es p e c t r u m ，f o u r - p o i n tp r o b ea n dr e f l e c t i o ns p e c t r u m i th a sb e e nf o u n dt h a t t h ed i f i e r e n tt r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d ef i l m s ( i t 0a n dz n o ：a 1 ) c a ni n f l u e n c et h ep r o p e r t i e s o fh e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l la p p a r e n t l y 1 1 1 ev a c u u ma n n e a l i n gc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee l e c t r i c a l a n do p t i c a lp r o p e r t i e so f i t o t h i n f i l m s a t i e ra n n e a l i n g t h e 2 1 8 1 0 。4 qc mr e s i s t i v i t y a n d 9 0 t r a n s m i t t a n c ea r eo b t a i n e da n dt h ee f f i c i e n c yo fa - s u e s ih e t e r o j u n t i o ns o l a rc e l l si si m p r o v e d g r e a t l y s e c o n d l nt h ee f f e c to f ￥| a lg e u e f i n go nc r y s t a l l i n es i l i c o ni sr e s e a r c h e d a n da p p l i e do n t h ep o l y c r y s t a l l i n es o l a rc e l l s i ti sd e s c r i b e dt h a tas e r i e sr e s e a r c ho fh e a v yp h o s p h o r o u s d i f f u s i o n g e t t e r i n g ，a l u m i n u m a n dc o m b i n a t i o no fa l u m i n u ma n d p h o s p h o r o u sg e r e r i n g ( e v a p o r a t i o no f a l u m i n u mo nt h ef r o n ta n db a c ko f t l l ew a f e r s ) a r ea p p l i e dt oc r y s t a l l i n es i l i c o n t h ec h a n g e so fm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ea n dc o n c e n t r a f i o no fi n t e r s t i t i a lo x y g e na r et e s t e da f t e r g e t t e r i n g i ti sf o u n dt h a tt h em i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m eo ft h ep o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nw a f e r si s i m p r o v e dg r e a t l ya f t e rg e t t e r r i n g t h ee l e c t r i cp e r f o r m a n c e so f1 】c m 2p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n s o l a re e l la r et e s t e da n d 也ee l e c t t i cp r o p e r t i e so ft h e s ec e l l sa r ec o n t r a s t e da f t e rg e t t e r r i n g t h e p h o s p h o r o u sa l u m i n u mc o - g e t t e r i n gi sf o u n dt ob et h em o s te f f e c t i v ew a yi ni m p r o v i n gt h e m i n o r i t yc a r r i e r1 i r e t i m eo f t h ep o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nw a f e r s k e yw o r d s ：p h o t o e l e c t r i c i t yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , h e t e r o j u n t i o n ，i n d i u mt i no x i d e ，r e s i s t e n c e ， a n n e a l ，p a ig e t t e r i n g 磷铝u 及杂及h lr 品硅太阳电池高转换效翠机理研究 - 少数载流子寿命，u s p 型一掺杂元素为硼。 一波长，c m d 硅片的厚度，u m l 一扩散氏度，n m 1 s c - 短路电流，m a f f 一填充因子，。 8 一穿透深度，n m p 功率，w v _ 频率，h z 【o i 】_ 氧含量，a t o m s c m 3 符号说明 p 电阻率，q c m n 型掺杂元素为磷。 温度，。 w 一电池厚度。 p 一真空度。 v 。c 开路电压，m v 。 n 电池转换效率，。 r 反射率，。 t _ 透射率，。 t 时间，s f t i r 一红外吸收光谱。 河北工业大学硕士学位论文 第一章序言 1 1 太阳电池的发展历史及现状 能源与环境问题是2 l 世纪人类面临的两大主要问题。目前，全球总能耗的7 4 来自煤、石油、天 然气等化石能源。据估计，全球石油和天然气将在未来4 0 6 0 年间枯竭，煤的开采年限也只有2 0 0 年， 寻求新的可再生能源将成为人类最紧迫的任务之一。另一方面，使用化石能源所产生的温室气体和其它 有害物质排放也日益威胁人类的正常生存。1 9 9 7 年1 5 0 多个国家签署的京都议定要求世界各国 改变能源利用方式，从煤和石油逐渐转化为可再生能源，减少温室气体排放，彻底改变人类社会发展与 能源短缺、环境污染之间的矛盾。 在我国，能源二【业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最火的煤炭生 产和消费国，煤炭占商品能源消费的7 6 ，是我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储 量及可开采年限十分有限( 表1 1 ) ，比世界总的能源形势更加严峻。因此开发利用可再生能源、实现能 源工业的可持续发展对我国来讲更加迫切，具有更重大的意义。 表11 我国能源剩余资源探明储量和可开发年限 t a b l e l 1 t h er e s e r v e so f r e m n a n te n e r g ys o u r c e si nc h i n aa n di t se x p l o i t a t i o nt i m el i m i t 注：能源基础数据汇编国家计委能源所，1 9 9 9 太阳能是永不枯竭、无污染的清洁能源。利用太阳电池，可以将太阳能直接转化为电能，在提供 电力的同时不产生任何有害物质，同时系统简单、维护方便。因此，太阳能发电的大规模应用是解决能 源与环境问题，实现人类社会可持续发展的有效途径。 太阳电池的历史可以追溯到1 9 世纪。1 8 3 9 年b e c q u r e t 在电解槽中发现了光生伏特效应。1 8 8 3 年， f r i e s 描述了第一个用硒制造的光生伏特电池。1 9 4 1 年，o h l 提出了硅p - n 结光伏器件，在此基础上， 美国贝尔实验室于1 9 5 4 年制出了第一个实用的硅扩散p - n 结太阳电池，并很快将光电转换效率提高到 1 0 。1 9 5 8 年，太阳电池首先在人造卫星上得以应用，从此开始了研究、利用太阳能发电的新阶段。 在2 0 世纪8 0 年代以前，由于发电成本过高，太阳电池的应用不多。光伏发电主要在航天、通讯、 导航、农业灌溉等领域作为补充能源。进入8 0 年代屙，由于能源危机和环境恶化，可持续发展的观念 日渐深入人心，太阳能的应用得到越来越广泛地关注。联合国将1 9 9 6 2 0 0 5 年定为“世界太阳能1 0 年”， 欧、美、日以及印度等国家纷纷推出自己的光伏发展计划。 在过去1 2 年间( 1 9 9 0 - - 2 0 0 1 ) 光伏市场的年平均增跃率为2 2 ，而在过去的5 年间( 1 9 9 7 - - 2 0 0 1 ) 光伏市场的年平均增睦率更是高达3 5 i l j ：光伏组件的产量则是从1 9 9 0 年的4 65 m v 猛增到2 0 0 1 年的 3 9 6 1 4 m v ，产量增加了近l o 倍。截止2 0 0 0 年底，世界一些主要厂商光伏组件的成本已经f 降到2 5 美元峰瓦。光伏产业进入快速发展阶段。 磷铝啵杂投h i t 品辞太阳电池高转换效率机理训究 表l2 世界光诀市场中各压用领域所占的份额( 单位m w ) t a b l e12s h a r e so f a ha p p l i e dr e a l mi np vm a r k e t 表12 【2 垮0 出了从1 9 9 0 年到2 0 0 1 年光伏各应用领域在世界光伏市场中所，叶的份额。从表中可以看 出，2 0 0 1 年光伏组件销售量的半用于并网光伏发电系统。同时，光伏发电在偏远无电地区电气化、 通讯等传统应角领域中的用嚣也稳步上爿。 i 、 、 、 i 一 l i i l l l l j 一。i j i l 口f 1 1 l 棚拯 图1 1 世界太阳电池组件的产量与价格变化 f i g - 1 ，it h ec h a n g e o f w o r l ds o l a r c e l l s p r o d u c t i o na n dp r i c e 图11 u 1 给出了从1 9 7 6 年到2 0 0 0 年世界光伏组件产量及价格的变化。目前成本问题是制约太 阳电池大规模应用的瓶颈。要真正使太阳能成为替代能源，太阳电池的发电成本必须接近常规发电方式 的成本。目前，国际市场光伏组件的成本约2 5 美元峰瓦( 折合每千瓦时约o 0 9 美元。国内光伏组仆 成本要高于国外，约4 0 元人民币，峰瓦) ，必须降至1 美元，峰瓦以下才能实现上述目标，中间还有根大 的差距。因此，在技术上实现创新和突破，发展廉价、高效的新一代太阳电池，是摆在我们面前的迫切 任务。 1 2 太阳电池的研究概况 总体而言，各类太阳电池都是利用各种娄型势垒的光生伏特作用，将太b | _ 能韩化为电能。 通常按照 | ；| 备材料不同，可以将太阳电池划分为硅( 包括单晶硅、多品硅、非晶砖) 、c u l n s e 2 、 g a a s 、c d t e 、c d s 太阳电池等此外还有近年新发展起来的纳米二氧化钛染料电池以及有机聚台物太 开i 电池。按照电池活性层的厚度，x 可以将太附电池划分为体材料电池和薄膜太刚电池( 一般认为活性 层厚度小于5 0 微米的为薄膜太阳电池) ， 绎过多年的筛选和淘汰，最终实现产业化并能在竞争激烈的国际光优市场上立足的太刚r u 池分别 经过多年的筛选和淘汰，嘏终实现产业化并能在竞争激烈的国际光伏市场i 立足的太阳电池分别 2 # l * 塑蔷 一 啪 圳枷 姗 w 帅 蛐 。 管羹藩i 河北工业人学硕士学位论文 为：单品硅太1 3 i l 电池、多品砗太阳电池、非品单晶异质结( h i t ) 太阳电池、= l f 晶砖薄膜太1 3 i l 电池、 碲化镉( c d t e ) 薄膜太| j | = l 电池、铜铟硒( c i s ) 薄膜太i j l 电池。 1 - 2 1 单品硅太阳电池 单品硅太刚电池在国际光伏市场上k 期lo l 据主导地位，是与它稳定并且较高的效率较k 的使_ l 寿 命分不开的。实验室制备的效率为2 4 7 的单晶硅太刚电池，至今保持着除g a a s 太刚屯池以外在转换 效率方面的最高的世界记录。由于r 业界普遍采用了表面织构化( 绒面) 、背表面场( b s f ) 雨i 减反射 膜等技术，目前： 业化生产的单晶硅太阳电池的效率在1 3 一1 6 之间【4j 。据b ps o l a r 公司称【“，他们 采_ 【i | 的u n s w 开发的激光刻槽埋栅技术生产的单晶硅太阳电池的平均转化效率为1 62 ，他们新建的 生产线的平均效率也达到了1 7 。 单品硅电池优异的光电转换性能与其成熟的制各工艺和所使用结晶完美的高纯单品硅材料是分不 开的，后者也是造成单晶硅太刚电池成本居高不下的主要原因。传统使用的内圆切割机在切割碎片过稗 中，有大约5 0 的高纯硅材料损失掉了。结果，制各单晶硅片的成本l t 了整个单晶硅太刖电池制造成 本的5 0 mj 。近年来，针对太阳电池的应用出现了多线切割。与内圆切割机相比，它具有产量高、切剌 损失少( 切割损失1 = _ 降到3 5 左右) ，对硅片表面的损伤小并可以切割更薄的硅片( 约1 0 0 9 m ) 等优点 2 , a6 j ，在一定程度上减小了晶体硅片的切割成本，但目前硅片的制造成本仍然偏高。 1 - 2 2 多品硅太阳电池 为了降低生产成本人们发明了由浇铸法生长多晶硅锭然后再由线切割制造多晶硅片的方法。由于 多品硅片在结晶质量及纯度方面都远低于单晶硅片，最初制造的多晶硅太刖电池存在效率较低的问题 6 1 。但是，随着凝铸长晶技术及多晶硅太阳电池制备技术的不断进步，近年来多晶硅太阳电池的转换效 率得到了大幅度的提高，目前大规模工业化生产的多晶硅太阳电池的转换效率已达到1 1 1 5 的水平 1 3 州 表1 3 多晶硅太阳电池现状与未来发展的预测 t a b l e l 3 t h e p r e s e n ta n d f u t u r e p o s i t i o no f m u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l 此外，方形多晶硅太阳电池片在组件填充密度方面的优势使得多品硅太阳电池组件的转换效率与单 品硅太刚电池组件的转换效率更为接近。1 9 9 8 年，多晶硅太阳电池在国际光伏市场所占的份顿首次超 过了单晶硅太刚电池，并且这种差距还在逐年拉大。 随着铸锭多晶硅技术及多晶硅太阳电池技术的进一步成熟和完善，预计多晶硅太阳能电池在未来的 十年内将会有更快、更大的发展”j 。表l3 1 7 1 给出了n r e l 对目前多晶硅电池现状的调查结果，以及对 未来的预测。 l 一2 3 非晶硅，单晶硅异质结( h i t ) 太阳电池 日本二洋( s a n y o ) 公司丁二1 9 9 0 年开始进行具有p 型a s i ：h 不掺杂a s i ：h n 型c - s i 结构的 磷铝吸杂技h i t 品硅太m 电池高转换效率机理 i ；l f 究 h i t ( h e t e r o j u n c t i o nw i t hi n t r i n s i ct h i n j a y e r ) 太r i 电池的研究。 图1 2h i t 太阳电池结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo f h e t e r o j u n c t i o nw i t ht h i nl a y e r ( h i t ) s o l a rc e 1 9 9 4 年他们的研究二作取得了突破性的进展，在i c m 2 面积上制备出转换效率为2 0 ，0 的h i t 太 阳电池【j “，并于1 9 9 7 年迅速实现了h i t 太阳电池的大规模产业化生产。所生产的面积超过1 0 0 c m 2 的 h i t 太阳电池的效率高达1 7 1 3 ，更让人吃惊的是，用来分离光生载流子的“结”是在2 0 0 。c 的低襦下 实现的。这也创造了一项世界纪录。所推出的商业化h i t 太阳电池组件被命名为h i tp o w e r 2 1 ，它由 9 6 片h l t 太阳电池组成，输出的功率为1 8 0 w h j 。2 0 0 0 年该公司在利用太阳级纯度硅材料制备高效 h i t 太阳电池的研究方面又有新进展。他们利用工业化生产过程中在面积为1 0 0 ，5 c m 2 的低成本n 型 太阳能级c z - s i 片( 1 n c m ) 上制备出开路电压7 1 9 m v ，效率为2 0 7 的h i t 太阳电池d - g l 。该电池 为双面h i t 结构电池，它刨造了面积为1 0 0 c m 2 的太阳电池转换效率最高的世界纪录。随着研发水平 和h i t 太阳电池转换效率的不断提升，大规模工业化生产的h i t 组件性能也在不断提高。单个电 池转换效率为1 8 3 ，输出功率为1 9 0 w 的h i t 在2 0 0 0 年4 月进入市场聊。根据最近的报道”o ，h i t “ 太阳电池又把面积为1 0 0 e r a 2 的太阳电池转换效率最高纪录改写为2 1 。2 。同时，大规模工业化生产已 获得1 8 5 的世界最高电池转换效率和1 6 1 的组件效率。新的“1 9 0 w 的h l t 组件”己于2 0 0 2 年l o 月开始出售。根据2 0 0 2 年的统计数据【2 j ，2 0 0 1 年h i t 太阳电池的产销量为1 8 m w ，占国际光伏市场 份额4 6 1 ，超过了硅带太阳电池，位列第四。 概括起来，h i t 太阳电池具有如下显著优点： ( 1 ) 低温工艺。全部工艺在2 0 0 以下完成，同时避免了热应力以及由此造成的对硅片的损伤； ( 2 ) 廉价高效。 ( 3 ) 对称性电池结构。因为它可以使用来自地面的反射光，这种电池结构可以获得高的转化效率。 f 4 ) 优秀的结特性。7 2 0 m v 的开路电压说明h i t 太阳电池具有非常好的结特性。h i t 太阳电池 如此高的电池性能是由于h i t 结构对c s i 表面非常优秀的钝化能力造成的。 ( 5 ) 优秀的温度特性。h i t 太阳电池效率的温度系数为一o ，3 3 ，而扩散p n 结电池效率温度系 数为一04 5 ，这意味着当温度较高时，h i t 太阳电池组件将比传统的p n 结电池组件产生更多的电 能。 h i t ”太阳电池虽然诞生的时间不长，但是凭借其廉价高效的巨大优势迅速抢占国际光伏市场，成 为目前太阳电池研发及应用领域中最耀眼的一颗新星。 1 - 2 4 非晶硅薄膜太阳电池 非晶硅薄膜太阳电池之所以能称雄于各种薄膜太阳屯池技术，并始终能在竞争激烈的国际市场上扮 演重要角色( 2 0 0 1 年的产销量排名第三) ，与这种薄膜太阳电池技术自身所具有的巨人优势是分不开的。 这些优越性主要表现在“： f 1 1 非晶硅薄膜材料无论从理论上还是制备技术上都发展的菲常成熟。 4 河北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 材料及制造成本都非常低。非晶硅薄膜太阳电池的厚度通常在1 m 左也，只有晶体硅太l e 池 j 度的】1 3 0 0 ，降低r 材料成本；电池制备采州低温一r 艺( 约2 0 0 ) ，生产的耗能小，能量同收时间短： 使j j j 玻璃、不锈钢或塑料等廉价衬底。 ( 3 ) 易丁实现组件面积上的集成以及便丁工业化大规模迮续生产l j “。 另外，在产业化技术方面，薄膜太阳电池也有很大的潜力。采用适当的沉积技术，可以同时、人 面积的制备薄膜，甚至可以连续化生产，而常规硅电池无法做到这一点。此外，薄膜太l j 电池还具有一 些特殊的优点，比如，可以在任意形状的衬底上沉积薄膜，例如在不锈钢或塑料上制备的太阳电池可以 折叠或者卷曲，而且重量较轻，适于空间应用；可以利用薄膜太刚电池充当玻璃幕墙等等。冈而，薄膜 太l j | _ 电池的适用范围比常规太j j | = | 电池更r 泛。 1 - 2 5 铜铟( 镓) 硒( c i s 或c i g s ) 薄膜太阳电池 自】9 7 7 年美国m a i n e 大学研制出第一个c i s 薄膜太阳电池以来，人们对c i s 薄膜太m 电池的研究 和发展已经有2 0 多年的历史，但至今c 1 s 薄膜太阳电池并没有在光伏应用领域发挥多大的作用，它在 国际光伏市场上所占的份额也非常小甚至可以忽略。究其原因主要可以归结为：铜铟镓硒薄膜是多元化 合物，大面积、均匀制备符合特定化学计量配比要求的铜铟镓硒薄膜在技术上非常困难。 黄铜矿结构的铜铟硒是一种i i i i 一族三元化合物半导体材料，其室温下的禁带宽度为1 0 2 e v ， 光吸收系数高达6 1 0 s c m 。( 这意味着o 2 p _ m 厚的薄膜足以将可利用的太阳光吸收掉) ，是目前己知光 吸收系数最大的半导体材料”。通过掺入镓取代材料中的部分铟形成铜铟镓硒( c i g s ) 四元化合物， 其带隙宽度在l l e v 一1 8 e v 之间可调，特别是当x = 0 3 时形成的c u l n i 一，g a x s e 2 化合物的带隙宽度为 1 5 e v ，是地面用太阳能光电转换材料的最佳带隙宽度”“。当前薄膜太阳电池转换效率的最高世界纪录 ( 1 8 8 ) 就是由这种材料制备的太阳电池创造的i l ”。此外，由这种材料制造的太阳电池组件显示出优 越的稳定性。 当前铜铟镓硒薄膜太阳电池研究和发展所面临的主要问题就是寻找一种便于产业化、可大面积、 均匀沉积器件级质量的铜铟镓硒薄膜的技术。这也是铜铟镓硒薄膜太阳电池从实验室阶段走向大规模工 业化生产必须克服的最大壁垒。发展不用重金属c d 元素的窗口层材料是人们研究的另外一个热点。最 近，日本t o k y oi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 用i n s e 代替c d s 做为缓冲层在0 1 7 9 c m 2 的面积上制备出效率 为1 3 0 的c g i s 薄膜太阳电池是一个可喜的进展l l 。此外，由于l n 、s e 和g a 都是比较稀有的贵重金 属，一旦进行c i g s 薄膜太阳电池的大规模工业化生产其成本和来源都是个问题。只有上述问题都获得 了非常圆满的解决之后，铜铟镓硒薄膜太阳电池才能有更快、更大的发展。 1 - 2 6 碲化镉( c d t e ) 太阳电池 碲化镉( c d t e ) 是一种i i 族化台物半导体材料，就其物理性质来说，它是一种非常理想的光伏 太阳能转换材料。它的带隙宽度为1 4 5 e v ，具有极高的光吸收系数，1 “m 厚的薄膜足以将9 9 的可利 用的太阳光吸收掉j 。美国n e r l c d t e 小组于2 0 0 1 年制备出的效率为1 6 4 的c d t e 薄膜太阳电池保 持着这种电池的最高实验室效率。目前b p s o l a r 公司己制各出最高转换效率为1 0 6 的c d s c d t e 薄膜 太阳电池组件，进一步显示了这种薄膜太阳电池的巨大发展潜力。但是，c d t e 薄膜太阳电池的产业化 发展并不尽如人意，至今并未在国际光伏市场中占有比较重要的位置。多年来c d t e 薄膜太阳电池的产 销量一直徘徊在1 m w 左右的水平，究其原因主要可以归结为以下几点：( 1 ) c d t e 薄膜太刚电池的制各 工艺还没有完全达到大规模产业化发展的要求。( 2 ) 电池效率的稳定性问题。( 3 ) c d 污染的问题。这可 能是限制c d t e 薄膜太阳电池发展的最大障碍。c d 是非常有害的重金属，有剧毒，c d 的化合物与c d 一样有毒。其主要危险性在于它的尘埃可以通过呼吸进入人体或动物而造成伤害。只有上述问题都一一 获得了圆满解决，c d t e 薄膜太阳电池才有可能大规模进入国际光伏市场。 磷铝吸杂投h i t 品硅太阳电池高转换效率机理究 1 3 本论文的主要研究内容 本研究。i ：作是北京市白然科学基金“高效非晶硅晶体硅异质结太电池的研究”利国家白然科学 基金项目“多晶硅太阳电池的研究”的一部分，目标是实现高效非晶硅晶体硅异质结太阿 电池的制各 利提高多晶硅太阳电池的效率以及降低生产成本。本论文的主要研究内容如f ： ( 1 ) 采用等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 在p 型单晶硅衬底上制各本征非晶硅和n 型非晶 硅薄膜，利用射频磁控溅射在n 型非晶硅窗口层上制各透明导电膜构造非晶硅晶体硅异质结( h 1 t ) 太阳 电池。采州光谱响应千1 v 测试手段对所制备的非晶硅，晶体硅异质结太阳电池进行测试和分析；利刚x 射线衍射能谱( x r d ) 、透射谱、反射谱、四探针等手段，对透明导电薄膜进行深入的研究，目的是 优化薄膜制备条件并采用最优沉积条件制备非晶硅，晶体硅异质结太阳电池。同时对于i t o 导电薄膜进 行不同渴度退火的研究，测量退火后的电阻率、透过率与退火温度的关系，来优化薄膜的性能，以提高 电池的效率。 ( 2 ) 研究磷铝吸杂对于晶体硅的影响并在此基础上制备晶体硅太阳电池。测量经磷扩散吸杂，铝 吸杂，磷铝联合吸杂( 双面蒸铝) 后硅片少子寿命的变化和间隙氧含量的变化，同时，采用吸杂后的多晶 硅片制各1 1 c m 2 的太阳电池，与来吸杂的多品硅太阳电池相比，研究多晶硅太阳电池的电学特性变化。 参考文献 1 m j m c c a n n ，k r c a t c h p o l e ，k jw e b e r ，e ta 1 ar e v i e wo ft h i n f i l mc r y s t a l l i n es i l i c o nf o rs o l a rc e l l a p p l i c a t i o n s p a n ! ：n a t i v es u b s t r a t e s o l a r e n e r g y m a t e r i a l s & s o l a r c e l l s ，2 0 0 1 ，6 8 ：】3 5 2 左元淮世界太阳电池产业的发展趋势见：太阳能学会2 0 0 2 杭州西湖博览会科技合作周“阳光发电论 坛论文集”杭州：浙江大学出版社，2 0 0 2 8 【3 】施正荣晶体硅太阳能电池的现状和发展见：太阳能学会中国第七界光伏会议论文集杭州：浙江大学 出版社，2 0 0 2 3 5 0 【4 】赵玉文，林安中晶体硅太阳电池及材料太阳能学报特刊1 9 9 9 ：1 0 2 【5 】tmb t m o n ，n b m a s o n ，s r o b e r t s ，e ta 1 t o w a r d s2 0 e 衢c i e n ts i l i c o ns o l a rc e l l sm a n u f a c t u r e da t6 0 m w pp e ra n n u m i n ：3 m w o r l dc o n f e r e n c eo i lp h o t o v o l t a i ee n e r g y g e n e v e s e ：2 0 0 0 1 ll 6 a g o e t z b e r g e r , c h e b l i n g p h o t o v o l t a i cm a t e r i a l s ，p a s t ，p r e s e n t ，f u t u r e s o l a re n e r g ym a t e r i a l s s o l a r c e l l s ，2 0 0 0 ，6 2 ：1 7 e m i l i a n op e r e z a g u a ( c o oo f l s o f o t o nc o m p a n y ) p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g yp r e s e n ta n df u t u r e 见：太阳能学 会2 0 0 2 杭州西湖搏览会科技台同周“阳光发电论坛论文集”杭州：浙江大学出版社，2 0 0 2 2 2 1 s i t s a w a d a , n t e r a d a ，s t s u g e ，e ta 1 h i 曲e f f i c i e n c ya - s i c - s ih e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l i n ：c o n f e r e n c e r e c o r dt h ef i r s tw c p e ch a w a i i ：1 9 9 4 1 2 1 9 【9 h i t o s h is a k a t a ，t a k u on a k a i ，t o s h i a k ib a b a , e ta l2 0 7 h i g h e s te f f i c i e n c yl a r g ea r e a ( 1 0 0 5 c m ) h i t “” c e l l 1 n ：2 8 i e e ep h o t o v o t a i cs p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ，2 0 0 0 ，7 【1 0 m a k o t o t a n a k a ，s h i n g o o k a m o t o ，s a d a j i t s u g e ，e ta ld e v e l o p m e n to f h i t s o l a rc e l l s w i t h m o r e t h a n2 1 a o n v e r s i o ue f f i c i e n c ya n dc o m m e r c i a l i z a t i o no fh i g h e s tp e r f o r m a n c eh i tm o d u l e s i n ：w c p e c 一3a b s t r a c t s f o rt h et e c h n i c a lp r o g r a m j a p a n ：m a y2 0 0 35 5 1 1 吴瑞华，耿新华非品硅太阳电池评述太阳能学报特刊，1 9 9 9 ，9 5 1 2 j y a n g ，s g u h a n e r lc d t et e a m f a b r i c a t e s1 64 c d s c d t ed e v i c e m a t r e ss o c s y m p p r o c ，19 9 9 ，5 5 7 ：2 3 9 6 河北工业人学颂士学位论文 l3 i s o k a m o t o ，e m a r u y a m a ，at e r a k a w a ，e ta l t o w a r d si a r g e a r e a ，h i g h e f f i c i e n c ya s i c s it a n d e ms o l a r c e l l ss o l a re n e r g ym a t e r i a l s & s o l a rc e l l s ，2 0 0 l ，6 6 ：8 5 f 1 4 1 耿新华孙云，王宗畔，等薄膜太阳电池的研究进展物理，1 9 9 9 ，2 8 ：9 6 f 1 5 1 季乘厚，_ 千万录多晶薄膜与薄膜太刚电池太阳能学报特刊，1 9 9 9 ，1 0 2 1 6 1 孙云，王俊清，杜兆峰c 1 s 和c i g s 薄膜太阳电池的研究太阳能学报，2 0 0 2 ，2 3 ：1 9 3 【1 7 1 千兴孔c u l n s e 2 薄膜太刚电池青岛大学学报，2 0 0 0 ，】3 ：8 5 7 。 壁兰竺童丝坚坚量堡查塑坠丝查堑垫垫羔! ! 型! 塑墅 第二章太阳电池的原理 2 - 1 太阳电池的工作原理 2 - 1 1 光电转换过程 与、f 导体太刚l 岜池相关的光电转换人致包括三个物理过程：( 1 ) 光在空气半导体界面上的反射与折 射：( 2 ) 光子激发产生电子一空穴对；( 3 ) 非平衡载流子的扩散和漂移，并被势场分离。f 面是对这二个过 程分别描述：1 1 1 ( 1 ) 光的反射与折射： 一束单色光入射到半导体表面后，其中一部分将被反射 射光强度之比称为反射系数r 透射系数为： t = 1 一r 对半导体这类光吸收材料，折射率n 。可写为 n c = n i k 另一部分透射进入半导体内。反射光与入 其中，n 为普通折射率，k 为消光系数，n 。n 、k 都是入射光波民九的函数。 当光垂真入射到折射率和消光系数分别为n 、k 的介质上时，反射系数与1 1 、k 的关系 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 曰：粤磐罢 ， 阳+ n 2 + k 2 、7 在硅太刖电池感兴趣的波长范围内( 3 0 0 1 1 0 0 n m ) ，由于n 3 5 ，相当于r 3 0 。对非垂直入射 情况，也有类似结果。 ( 2 ) 半导体中的光吸收： 半导体受到光照时。价带中的电子受光子激发两跃迁到导带，同时在价带申留下一个空穴，这一过 程称半导体的本征吸收过程。发生本征吸收的条件是光子能量大于或等于半导体的禁带宽度，即h v e 。 因而不同半导体材料都存在各自的吸收限： k = h c e g( 2 4 ) 波k 大于h 的光则无法被吸收，对半导体硅材料而言，这一吸收限x o = 1l o o n m 。 半导体内也存在其它形式的光吸收过程，如杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收等等，但对一般 太阳电池而言，主要还是本征吸收。由于光吸收作用，射入半导体内的光强随射入深度而衰减，在d x 距离内被吸收的光强为o - ( 丸) m ( x ) d x ，其中a 定义为吸收系数。这样在半导体内深度为x 处的光强与 x = o 处光强扎的关系为 ( x ) = 蔬e 一“( 2 5 ) 吸收系数c 【与消光系数k 有如下关系： a 2 4 x k ，t ( 2 6 ) 上式结合( 2 3 ) 式表明，吸收系数大时，半导体对该波长光的反射也高。对g a a s 等直接带隙半导 体而言，由于本征吸收过程不需声子参与，因而吸收系数较大。而对s i + 等间接带隙半导体而言，其本 征吸收过程一般需声子参与，跃迁发生几率较低，因而吸收系数也较小。